用于橡膠的納米碳酸鈣的研制

劉亞雄

(青州宇信鈣業(yè)股份有限公司,山東 青州 262503)

1 橡膠用碳酸鈣現(xiàn)狀

碳酸鈣是橡膠工業(yè)應(yīng)用最早、用量最大的填料，普通碳酸鈣對(duì)橡膠無(wú)補(bǔ)強(qiáng)作用，甚至?xí)档土蚧z力學(xué)性能，價(jià)格低廉，只可作為非補(bǔ)強(qiáng)填充劑；超細(xì)重鈣碳酸鈣有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，能改善硫化膠力學(xué)性能，在膠料中易分散，還能改善加工性能，可作為半補(bǔ)強(qiáng)填料；粒徑介于20～100nm之間的納米碳酸鈣,對(duì)橡膠具有補(bǔ)強(qiáng)作用，通常作為補(bǔ)強(qiáng)功能填料，可以部分代替價(jià)格昂貴的碳黑和白碳黑[1-3]。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家橡膠工業(yè)用碳酸鈣基本上都是超微細(xì)化和專(zhuān)用化,特別是日本白石株式會(huì)社生產(chǎn)的碳酸鈣用于涵蓋微米級(jí)到納米級(jí)等10多個(gè)品種，如：ACTIFORT 700為粒徑20nm；白艷華O為粒徑30nm；白艷華CC為粒徑為50nm；DD為粒徑為100nm、Silver-W為1.5微米等，橡膠產(chǎn)品主要有輸送帶、密封材料、輪胎等，種類(lèi)有NR、NBR、SBR、BR、硅橡膠等，對(duì)填料的性能要求重點(diǎn)也不盡相同，國(guó)內(nèi)碳酸鈣企業(yè)由于技術(shù)與設(shè)備的原因，沒(méi)有解決納米碳酸鈣團(tuán)聚和分散的問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)適合橡膠使用的高性能納米碳酸鈣，同時(shí)具備補(bǔ)強(qiáng)性、分散性和加工性能，可替代炭黑、白炭黑，降低橡膠制品成本具有必要性，本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)納米碳酸鈣應(yīng)用于橡膠的性能作了討論。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 主要原料

石灰石(CaCO3含量≥97%)；CO2氣體(凈化窯氣含CO2濃度30%～35%)；檸檬酸鈉；蔗糖；六偏磷酸鈉；磷酸；氯化鋅；雙親偶聯(lián)劑ZF-101(重慶嘉世泰化工)；鋁酸酯偶聯(lián)劑鋁酸酯偶聯(lián)劑F-1(重慶嘉世泰化工)；硬脂酸(工業(yè)級(jí)1801)；氫氧化鈉；松香樹(shù)脂；十八烷基三甲基氯化銨(C21H46ClN)。

2.2 主要儀器

馬沸爐；消化罐；振動(dòng)篩；CO2貯罐及流量計(jì)；碳化反應(yīng)釜；活化釜；壓濾機(jī)；干燥機(jī)、氣流粉碎機(jī)；比表面積儀；滴定管；兩輥開(kāi)煉機(jī)；電熱平板硫化機(jī)；萬(wàn)能電子拉力機(jī)。

2.3 納米碳酸鈣的制備

將3～6cm大小的石灰石在馬沸爐，采用溫度為900～950℃，煅燒得到石灰(主要成分為CaO)；石灰加入50～70℃的熱水進(jìn)行消化反應(yīng)，過(guò)篩精制除去雜質(zhì)，精制后陳化24h以上；加入到攪拌碳化反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)Ca(OH)2的比重為1.050～1.060,溫度為15～20℃，在碳化前加入晶形控制劑(檸檬酸、磷酸、六偏磷酸鈉等)，通入濃度為30%～35%的CO2進(jìn)行反應(yīng)，使用流量計(jì)測(cè)量CO2流量，在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程的溫度與電導(dǎo)率的變化，至電導(dǎo)率降至最低為碳化終點(diǎn),得到納米碳酸鈣熟漿；納米碳酸鈣熟漿加入表面處理劑(偶聯(lián)劑、硬脂酸、松香等)進(jìn)行濕法改性，經(jīng)壓濾、干燥、超微粉碎后得到改性納米碳酸鈣。

2.4 橡膠應(yīng)用試驗(yàn)

基本配方：氯丁橡膠(CR2441)100；氧化鋅ZnO，5；氧化鎂MgO，4；硬脂酸SA，0.5；促進(jìn)劑NA-22，1.0；粉體，65；將上述組分在雙輥開(kāi)煉機(jī)上薄通10次后出片，混煉膠停放8h后在平板硫化機(jī)上硫化，硫化時(shí)間為160℃×t90，制得的橡膠經(jīng)過(guò)性能檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，拉伸性能按GB/T528-2009測(cè)試，拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度按GB/T 529-2008測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 納米碳酸鈣的比表面積對(duì)膠料的影響

調(diào)節(jié)Ca(OH)2的比重為1.055,溫度為18℃，在碳化前加入晶形控制劑檸檬酸鈉和六偏磷酸鈉不同的用量控制比表面積，碳化至電導(dǎo)率降至最低點(diǎn)為碳化終點(diǎn),停止碳化，加入表面處理劑硬脂酸鈉5%進(jìn)行改性，經(jīng)壓濾、干燥、粉碎后得到改性納米碳酸鈣，并制備橡膠進(jìn)行性能測(cè)試。

表1 比表面積的影響Table 1 Effect of specific surface area

從表1對(duì)比可以看出，在碳化時(shí)增加晶形控制劑的用量，可以提高納米碳酸鈣粉體的比表面積，使納米碳酸鈣的粒徑減小，與橡膠之間的接合力增加，可增加橡膠的強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度。

3.2 納米碳酸鈣的表面處理劑用量的影響

調(diào)節(jié)Ca(OH)2的比重為1.055,溫度為18℃，在碳化前2%蔗糖和2%磷酸作為晶形控制劑，控制納米碳酸鈣的比表面積，測(cè)試熟漿的比表面積為54m2/g，碳化至電導(dǎo)率降至最低為碳化終點(diǎn),停止碳化，加入不同用量的硬脂酸鈉改性，經(jīng)壓濾、干燥、粉碎后得到改性納米碳酸鈣，并制備橡膠進(jìn)行性能測(cè)試。

表2 表面處理劑用量的影響Table 2 Effect of dosage Surface Treatment Agent

從表2可以看出，隨著表面處理劑的用量增加，表面處理劑起到分散納米碳酸鈣和軟化橡膠的作用，使橡膠的強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度下降，而伸長(zhǎng)率提高，所以納米碳酸鈣的表面處理要適量才行。

3.3 納米碳酸鈣的表面處理的種類(lèi)的影響

調(diào)節(jié)Ca(OH)2的比重為1.055,溫度為18℃，在碳化前2%蔗糖和2%氯化鋅作為晶形控制劑，控制納米碳酸鈣的比表面積，測(cè)試熟漿的比表面積為52m2/g，碳化至電導(dǎo)率降至最低為碳化終點(diǎn),停止碳化，加入不同的表面處理劑改性，用量為4%，經(jīng)壓濾、干燥、粉碎后得到改性納米碳酸鈣，并制備橡膠進(jìn)行性能測(cè)試。

表3 表面處理劑的類(lèi)型影響Table 3 The Type Effect of Surface Treatment Agents

從表3可以看出，采用不同的表面處理劑，性能不同，其中硬脂酸鈉的伸長(zhǎng)率較高；采用松香酸鈉處理的強(qiáng)度和撕裂較高，伸長(zhǎng)率較低；而其中采用F-1鋁酸酯偶聯(lián)劑有較高的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度。

3.4 納米碳酸鈣與炭黑、白炭黑的性能對(duì)比

調(diào)節(jié)Ca(OH)2的比重為1.055,溫度為18℃，在碳化前2%蔗糖、3%六偏磷酸鈉、1%氯化鋅作為晶形控制劑，控制納米碳酸鈣的比表面積，測(cè)試熟漿的比表面積為58m2/g，碳化至電導(dǎo)率降至最低為碳化終點(diǎn),停止碳化，采用松香酸1%和鋁酸酯偶聯(lián)劑3%復(fù)合處理，經(jīng)壓濾、干燥、粉碎后得到改性納米碳酸鈣，并制備橡膠進(jìn)行性能測(cè)試。

按同樣的配方，將市場(chǎng)上碳黑(N330)、白炭黑、和本研制的納米碳酸鈣、本研制的納米碳酸鈣與炭黑=2∶8復(fù)配(1#)進(jìn)行對(duì)比，本研制的納米碳酸鈣與白炭黑=2∶8復(fù)配(2#)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如表4。

表4 納米碳酸鈣與炭黑、白炭黑的性能對(duì)比Table 4 comparison of nano-calcium carbonate with carbon black and silica

從表4的可以看出：在碳化時(shí)加蔗糖、六偏磷酸鈉、氯化鋅等復(fù)合晶形控制劑，可以提高納米碳酸鈣的比表面積，同時(shí)采用松香酸與偶聯(lián)劑復(fù)配的表面處理形式，生產(chǎn)出來(lái)的納米碳酸鈣用于橡膠有較高的強(qiáng)度；本制備的納米碳酸鈣從強(qiáng)度與撕裂強(qiáng)度與炭黑及白炭黑相比較差，但是伸長(zhǎng)率較高；比炭黑和白炭黑復(fù)配后，取代20%，性能基本不下降，可取代部分白炭黑，降低成本，主要原因是本發(fā)研制的納米碳酸鈣的比表面積大，同時(shí)具有良好的分散性，在加工過(guò)程中可以提高炭黑和白炭黑的分散性。

4 總結(jié)

(1)在碳化時(shí)增加晶形控制劑的用量，可以提高納米碳酸鈣粉體的比表面積，使納米碳酸鈣的粒徑減小，可增加橡膠的強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度。

(2)隨著表面處理劑硬脂酸鈉的用量增加，橡膠的強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度下降，而伸長(zhǎng)率提高，所以納米碳酸鈣的表面處理要適量才行。

(3)采用不同的表面處理劑，性能不同，其中硬脂酸的伸長(zhǎng)率較高；采用松香酸鈉處理的強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較低；而其中采用F-1鋁酸酯偶聯(lián)劑有較高的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度。

(4)碳化時(shí)采用多種晶形控制劑復(fù)配，活化時(shí)采用松香酸與偶聯(lián)劑的表面處理形式，制備出來(lái)的納米碳酸鈣用于橡膠有較高的強(qiáng)度；本制備的納米碳酸鈣從強(qiáng)度與撕裂強(qiáng)度與炭黑及白炭黑相比較差，而伸長(zhǎng)率較高；與碳黑與白炭黑復(fù)配后，可取代價(jià)格較高的碳黑與白炭黑降低成本，不降低強(qiáng)度與撕裂強(qiáng)度。